Vai 5G laikmetā dimanta/metāla kompozītmateriāli var glābt pārkarsētas pusvadītāju ierīces?
Strauji attīstoties elektroniskajām tehnoloģijām, sakaru tehnoloģijas pakāpeniski ir iegājušas 5G laikmetā. Kamēr pusvadītāju materiāli tiek pastāvīgi atjaunināti, arī integrālās shēmas virzās liela mēroga, augstas integrācijas un lieljaudas virzienā. SiC un GaN pārstāvēto platjoslas pusvadītāju materiālu pielietošana ir izraisījusi strauju izolēto vārtu bipolāro tranzistoru (IGBT) attīstību, kas paver jaunu situāciju jaunas informācijas tehnoloģiju paaudzei.
Liela jauda un augsts strāvas blīvums ir IGBT mikroshēmu attīstības tendence, kas neizbēgami izraisīs elektronisko komponentu pārkaršanu. Pētījuma dati liecina, ka, kad mikroshēmas virsmas temperatūra sasniedz 70-80°C, mikroshēmas uzticamība samazinās par 5% uz katru 1°C temperatūras paaugstināšanos. Vairāk nekā 55% elektronisko ierīču atteices režīmu izraisa pārmērīga temperatūra. Lai atrisinātu siltuma izkliedes problēmu, papildus efektīvākai dzesēšanas tehnoloģijai ir steidzami jāizstrādā jauni viegli elektroniski iepakojuma materiāli, kuru siltumvadītspēja ir lielāka par 400 W/(m·K) un izplešanās koeficients atbilst pusvadītāju materiālam. Kā jauna veida elektroniskais iepakojuma materiāls dimanta/metāla kompozītmateriāli pēc vairāk nekā desmit gadu ilgas izpētes un izstrādes pakāpeniski ir nonākuši skatuves centrā, un tie ir ļoti gaidīti.
Dimantam ir lieliska veiktspēja, piemēram, liels aizliegts joslas platums, augsta cietība un siltumvadītspēja, augsts elektronu piesātinājuma novirzes ātrums, augsta temperatūras izturība, izturība pret koroziju un starojuma izturība. To izmanto augstsprieguma un augstas efektivitātes jaudas elektronikā, augstfrekvences un lieljaudas mikroelektronikā, dziļajā ultravioletajā optoelektronikā un citās jomās, kurām ir ārkārtīgi svarīgas pielietojuma perspektīvas. Dimantam ir visaugstākā siltumvadītspēja (2200W/(m·K)) no šobrīd zināmajām dabiskajām vielām, kas ir 4 reizes lielāka par silīcija karbīdu (SiC), 13 reizes lielāka par silīciju (Si) un lielāka par gallija arsenīdu (GaAs). ) Tas ir 43 reizes lielāks, kas ir 4 līdz 5 reizes lielāks par varu un sudrabu. Pašlaik dimanta/metāla siltumu izkliedējošie kompozītmateriāli ir daudzsološi.
Dimants ir kubisks kristāls, ko veido oglekļa atomu kovalentā saite. Daudzas dimanta ekstrēmas īpašības ir tiešs sp³ kovalentās saites stiprības rezultāts, kas veido stingru struktūru un nelielu skaitu oglekļa atomu. Metāls vada siltumu caur brīvajiem elektroniem, un tā augstā siltumvadītspēja ir saistīta ar augstu elektrovadītspēju. Turpretim siltuma vadītspēju dimantā panāk tikai režģa vibrācijas (ti, fononi). Īpaši spēcīgās kovalentās saites starp dimanta atomiem padara cieto kristāla režģi ar augstu vibrācijas frekvenci, tāpēc tā Debye raksturīgā temperatūra ir pat 2220 K. Tā kā lielākā daļa lietojumu ir daudz zemākas par Debye temperatūru, fonona izkliede ir maza, tāpēc siltuma vadīšanas pretestība ar fononu kā vidi ir ārkārtīgi maza. Bet jebkurš režģa defekts radīs fonona izkliedi, tādējādi samazinot siltumvadītspēju, kas ir raksturīga visiem kristāla materiāliem.
Dimanta/vara kompozītmateriālu siltumvadītspēju galvenokārt ierobežo kompozītmateriālu saskarnes projektēšana un sagatavošanas process, jo īpaši vara matricas, dimanta iekšējā siltumvadītspēja, dimanta tilpuma daļa, daļiņu izmērs un saskarne starp abiem Tas ir arī īpaši svarīgi. Parasti kā kompozītmateriāla pastiprinošā fāze tiek izmantots dimants ar pilnīgu kristāla formu, ar zemu slāpekļa saturu, izmēru 100-500 um, lai novērstu virsmas pārvēršanos grafītam līdzīgā fāzē, palielinātu dimanta tilpuma daļu kompozītmateriālā. materiālu un palīdz iegūt augstas kvalitātes dimanta/vara kompozītmateriālu.
Saskaroties ar pusvadītāju komponentiem ar arvien pieaugošu jaudas blīvumu, ir vērts gaidīt, vai dimanta/metāla kompozītmateriāli var panākt ātru siltuma izkliedi.
